Что такое водо- и геотермальный тепловой насос? Почему всё больше крупных зданий выбирают именно эту технологию?

Почему всё больше зданий переходят на использование водо- и геотермальных тепловых насосов?

По мере того как во всём мире ужесточаются требования к энергосбережению и сокращению выбросов углерода, требования строительной отрасли к системам центрального кондиционирования уже давно вышли за рамки простого принципа «охлаждать и отапливать». Сегодня владельцы объектов, проектные организации и генеральные подрядчики всё больше внимания уделяют общему энергопотреблению системы, эксплуатационным расходам, сроку службы оборудования, экологичности и долгосрочной экономической эффективности. Именно в этих условиях водо- и геотермальные тепловые насосы становятся одним из наиболее перспективных решений для организации систем отопления и охлаждения коммерческих объектов, общественных зданий и жилых комплексов высокого класса.

При первом знакомстве с данной технологией многие заказчики задают похожие вопросы: «Работает ли такая система только на подземных водах?», «Подходит ли она исключительно для загородных домов и коттеджей?», «Насколько она экономичнее обычной системы центрального кондиционирования?»

На самом деле водо- и геотермальные тепловые насосы — это далеко не новая технология. Они успешно применяются в странах Европы и Северной Америки уже несколько десятилетий и широко используются в офисных зданиях, больницах, школах, гостиницах, аэропортах, промышленных парках и других крупных объектах. В последние годы, благодаря постоянному совершенствованию стандартов зелёного строительства и развитию технологий производства оборудования, всё больше инженерных проектов выбирают именно системы водо- и геотермальных тепловых насосов, обеспечивающие комплексное решение для охлаждения летом, отопления зимой и круглогодичного горячего водоснабжения.

По сравнению с традиционной схемой, включающей котельную и холодильную машину (чиллер), главное преимущество водо- и геотермального теплового насоса заключается не в том, что он вырабатывает тепло, а в том, что он эффективно переносит уже существующую тепловую энергию окружающей среды. Используя относительно стабильную температуру грунта, подземных вод, рек, озёр и других природных источников, система посредством теплового насоса переносит тепло из области с более низкой температурой в область с более высокой температурой. Благодаря этому для получения большого количества тепловой или холодильной мощности требуется лишь относительно небольшое количество электроэнергии. Именно этот принцип обеспечивает высокий коэффициент энергоэффективности, снижение эксплуатационных расходов и экономичную работу системы в течение всего срока службы.

Для крупных зданий, эксплуатируемых в круглогодичном режиме, применение водо- и геотермальных тепловых насосов позволяет не только значительно сократить потребление энергии, но и существенно уменьшить выбросы углекислого газа, повысить экологический класс здания и соответствовать современным требованиям в области энергоэффективности, устойчивого строительства и низкоуглеродного развития.

I.Что такое водо- и геотермальный тепловой насос?

Многие люди, впервые услышав термин «водо- и геотермальный тепловой насос», ошибочно считают, что речь идёт о разновидности кондиционера или даже об усовершенствованной версии наружного блока обычной сплит-системы. На самом деле водо- и геотермальный тепловой насос представляет собой источник тепла и холода для системы центрального кондиционирования, использующий энергию окружающей среды для теплообмена. Его основная задача — обеспечивать всё здание стабильной подачей охлаждённой и нагретой воды.

С профессиональной точки зрения водо- и геотермальный тепловой насос является одной из разновидностей технологии тепловых насосов. В отличие от традиционных систем отопления, тепловой насос не вырабатывает тепло напрямую. Он использует циркуляцию хладагента для переноса низкопотенциальной тепловой энергии, уже содержащейся в окружающей среде, внутрь здания. При работе в режиме охлаждения система отводит тепло из помещений и передаёт его в грунт или природный водоём. В режиме отопления, наоборот, она извлекает тепловую энергию из подземной среды, повышает её температурный потенциал с помощью холодильного цикла и передаёт её системе отопления здания.

Термин «водо- и геотермальный» фактически объединяет два различных способа использования природных источников энергии.

Первый — водяной тепловой насос, который использует в качестве источника теплообмена подземные воды, реки, озёра, водохранилища, очищенные сточные воды (техническую воду) или промышленную оборотную воду. Благодаря высокой теплопроводности воды такие системы отличаются высокой эффективностью и особенно хорошо подходят для регионов с доступными и стабильными водными ресурсами.

Второй — геотермальный тепловой насос, использующий относительно постоянную температуру грунта в течение всего года. Для этого в землю прокладываются специальные геотермальные теплообменные контуры, через которые осуществляется теплообмен между грунтом и системой теплового насоса. На глубине нескольких десятков или даже более ста метров температура грунта практически не зависит от погодных условий, поэтому система сохраняет высокую производительность как в период летней жары, так и во время сильных зимних морозов.

Поскольку обе технологии основаны на одном и том же принципе работы и отличаются главным образом используемым источником тепловой энергии, в инженерной практике выбор между ними осуществляется с учётом местных природных условий и особенностей конкретного проекта. Именно поэтому специалисты отрасли обычно объединяют их общим понятием «система водо- и геотермальных тепловых насосов».

С точки зрения инженерных систем здания водо- и геотермальный тепловой насос не является автономным оборудованием. Он выполняет роль «сердца» всей системы центрального кондиционирования и отопления, работая совместно с системой циркуляции воды, фанкойлами, воздухообрабатывающими установками (AHU), системой приточно-вытяжной вентиляции и интеллектуальной системой автоматического управления. Только совместная работа всех этих компонентов позволяет обеспечить охлаждение помещений, отопление, осушение воздуха, обработку свежего воздуха и поддержание комфортного микроклимата в здании. Поэтому при проектировании современных систем HVAC выбор водо- и геотермального теплового насоса оказывает непосредственное влияние не только на уровень комфорта внутри здания, но и на общую энергоэффективность системы, эксплуатационные расходы и стоимость её жизненного цикла.

III.Из каких компонентов состоит система водо- и геотермального теплового насоса?

Многие считают, что для создания полноценной системы достаточно приобрести тепловой насос. Однако это одно из самых распространённых заблуждений.

На самом деле система водо- и геотермального теплового насоса представляет собой комплексную инженерную систему HVAC, состоящую из нескольких взаимосвязанных элементов. Эффективность, надёжность и экономичность её работы зависят от правильного проектирования и согласованной работы каждого компонента.

1. Тепловой насос

Тепловой насос является центральным элементом всей системы и отвечает за производство холодной и горячей воды, необходимой для кондиционирования и отопления здания.

Современные агрегаты обычно оснащаются высокоэффективными спиральными (Scroll) или винтовыми компрессорами, электронными расширительными клапанами, пластинчатыми теплообменниками и интеллектуальной системой автоматического управления. Такое сочетание оборудования позволяет автоматически регулировать режим работы в зависимости от текущей тепловой нагрузки, обеспечивая максимальную энергоэффективность и стабильность эксплуатации.

Для крупных коммерческих объектов широко применяется модульная компоновка, при которой несколько тепловых насосов работают совместно. Система автоматически включает или отключает отдельные модули в зависимости от потребности здания в холоде или тепле, что значительно повышает эффективность работы при частичных нагрузках, снижает энергопотребление и увеличивает надёжность всей установки.

2. Подземная система теплообмена

Подземная система теплообмена является основным элементом, отличающим геотермальный тепловой насос от традиционных систем центрального кондиционирования.

В зависимости от геологических условий и особенностей проекта применяются различные схемы теплообмена.

Вертикальная система геотермальных зондов

В грунте бурятся скважины глубиной, как правило, от 80 до 200 метров, в которые устанавливаются U-образные полиэтиленовые трубы. Через них циркулирует теплоноситель, обеспечивающий долговременный теплообмен с грунтом.

Данный вариант требует минимальной площади участка и поэтому широко используется в городской застройке, на коммерческих объектах и в проектах с ограниченной территорией.

Горизонтальная система теплообменных трубопроводов

Теплообменные трубы укладываются в грунт на глубине примерно от 1,5 до 3 метров.

Стоимость строительства такой системы обычно ниже, чем вертикальной, однако она требует значительно большей площади земельного участка. Поэтому горизонтальные контуры чаще применяются в школах, коттеджных посёлках, промышленных парках и других объектах с достаточной свободной территорией.

Система теплообмена с использованием подземных вод

В данной схеме теплообмен осуществляется непосредственно с использованием подземной воды. После прохождения через теплообменник вода возвращается в водоносный горизонт через нагнетательную (реинжекционную) скважину.

Такой способ отличается очень высокой эффективностью теплообмена, однако его применение возможно только при наличии достаточных водных ресурсов и при соблюдении требований местного экологического законодательства и нормативов по использованию подземных вод.

3. Система циркуляции воды

Система циркуляции воды обеспечивает транспортировку охлаждённой или нагретой воды ко всем потребителям внутри здания.

Как правило, она включает следующие основные элементы:

• циркуляционные насосы;

• трубопроводную сеть;

• расширительный бак;

• систему автоматической подпитки;

• оборудование для водоподготовки;

• балансировочные клапаны;

• электроприводные регулирующие клапаны.

Грамотно выполненный гидравлический расчёт и правильная балансировка системы обеспечивают равномерное распределение теплоносителя между всеми помещениями. Благодаря этому исключаются ситуации, когда одни помещения получают недостаточное количество холода или тепла, а другие — переохлаждаются или перегреваются.

4. Внутреннее конечное оборудование

После того как тепловой насос подготовит охлаждённую или нагретую воду, её необходимо передать в помещения посредством конечного оборудования системы кондиционирования и отопления.

В зависимости от назначения здания могут использоваться различные виды оборудования.

• Фанкойлы — оптимальное решение для гостиниц, офисных зданий, жилых комплексов и апартаментов. Они позволяют организовать индивидуальное регулирование температуры в каждом помещении или зоне.

• Воздухообрабатывающие установки — широко применяются в больницах, торговых центрах, фармацевтических предприятиях и чистых помещениях. Они выполняют функции обработки наружного воздуха, фильтрации, осушения, нагрева или охлаждения, а также подачи воздуха в систему вентиляции.

• Центральные кондиционерные установки модульного типа предназначены для крупных промышленных и общественных зданий. В зависимости от требований проекта они могут оснащаться различными функциональными секциями, включая фильтрацию, увлажнение воздуха, рекуперацию тепла, дополнительный нагрев и охлаждение.

• Системы водяного тёплого пола обеспечивают максимально комфортное отопление в зимний период благодаря равномерному распределению тепла по всей площади помещения. Они особенно востребованы в жилых домах, образовательных учреждениях и домах престарелых.

• Приточно-вытяжные установки обеспечивают постоянную подачу свежего наружного воздуха, улучшают качество внутреннего воздуха и поддерживают комфортный микроклимат в помещениях.

В современных проектах различные виды конечного оборудования часто используются совместно. Их грамотное сочетание позволяет создать высокоэффективную, энергосберегающую и комфортную систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), полностью соответствующую требованиям конкретного объекта и условиям его эксплуатации.

IV.В чём разница между водяным и геотермальным тепловым насосом? Многие заказчики до сих пор их путают

Во время консультаций по инженерным проектам мы часто слышим от заказчиков одни и те же вопросы: «Неужели водяной тепловой насос постоянно расходует подземную воду?», «Обязательно ли для геотермального теплового насоса бурить очень глубокие скважины?», «Какой вариант лучше выбрать?»

На самом деле водяные и геотермальные тепловые насосы относятся к одной технологии тепловых насосов. Принцип их работы практически одинаков: обе системы используют низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды и посредством теплового насоса обеспечивают охлаждение летом и отопление зимой. Их основное различие заключается не в принципе работы, а в источнике теплообмена.

Водяной тепловой насос — использование природных водных ресурсов в качестве источника тепла и холода

Водяной тепловой насос осуществляет теплообмен с использованием подземных вод, рек, озёр, водохранилищ, очищенных сточных вод (технической воды) или промышленной оборотной воды.

Поскольку теплопроводность воды значительно выше, чем у воздуха, а температура природных водоёмов в течение года изменяется незначительно, водяные тепловые насосы обычно обеспечивают более высокую эффективность теплообмена.

Например, во многих регионах температура подземных вод на глубине нескольких десятков метров круглый год сохраняется примерно в диапазоне от +12 до +18 °C. Летом система передаёт тепло из здания подземной воде, обеспечивая охлаждение помещений, а зимой извлекает тепло из воды и использует его для отопления здания.

Следует отметить, что использование подземных вод подходит далеко не для всех объектов. Если регион испытывает дефицит водных ресурсов, подземная вода содержит большое количество песка или механических примесей либо местное природоохранное законодательство ограничивает добычу подземных вод, предпочтение обычно отдаётся закрытым системам теплообмена, которые позволяют исключить негативное воздействие на окружающую среду.

Помимо подземных вод, во многих крупных проектах источниками теплообмена служат озёра, водохранилища, реки и даже системы промышленного оборотного водоснабжения. Например, гостиницы, курортные комплексы и промышленные парки, расположенные рядом с крупными водоёмами, могут эффективно использовать природные водные ресурсы, существенно снижая энергопотребление системы.

Геотермальный тепловой насос — использование тепловой энергии грунта

В отличие от водяного теплового насоса, геотермальный тепловой насос не использует непосредственно подземные воды. Источником тепловой энергии для него служит грунт.

Главное преимущество грунта заключается в его высокой температурной стабильности. Несмотря на значительные сезонные колебания температуры поверхности земли, на глубине нескольких десятков метров температура грунта остаётся практически неизменной в течение всего года, что делает его надёжным источником тепла зимой и эффективным поглотителем тепла летом.

Для использования этой энергии в грунте прокладываются специальные теплообменные трубопроводы. Циркулирующий в них теплоноситель непрерывно обменивается теплом с окружающим грунтом, после чего переносит полученную тепловую энергию к тепловому насосу.

В настоящее время наиболее распространены три способа устройства геотермального теплообменного контура.

Вертикальная система геотермальных зондов

Это наиболее распространённое решение для крупных коммерческих и общественных зданий.

Во время строительства бурятся скважины глубиной, как правило, от 80 до 200 метров, после чего в них устанавливаются U-образные теплообменные трубы из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Затем скважины заполняются специальным теплоизоляционным или теплопроводным материалом.

Главным преимуществом такой системы является минимальная занимаемая площадь, благодаря чему она идеально подходит для офисных зданий, больниц, торговых центров и других городских объектов с ограниченной территорией.

Горизонтальная система теплообменных трубопроводов

При данной схеме трубы укладываются на глубине примерно от 1,5 до 3 метров.

Такое решение требует меньших затрат на строительство, однако нуждается в значительно большей площади земельного участка. Поэтому горизонтальные геотермальные контуры чаще используются в школах, промышленных парках, коттеджных посёлках и других проектах, располагающих достаточной свободной территорией.

Спиральная система теплообменных труб

В последние годы в небольших проектах всё чаще применяется спиральная схема укладки теплообменных труб.

За счёт компактного размещения труб удаётся увеличить площадь теплообмена на ограниченном участке, повысить эффективность использования территории и сократить объём строительных работ.

Как выбрать между водяным и геотермальным тепловым насосом?

Многие заказчики считают, что водяной тепловой насос всегда более энергоэффективен, чем геотермальный. Однако такое утверждение нельзя считать универсальным.

Если объект располагается рядом со стабильным и пригодным для эксплуатации природным источником воды, водяной тепловой насос зачастую обеспечивает более высокую эффективность теплообмена, а первоначальные затраты на строительство могут оказаться ниже.

Однако при отсутствии надёжных водных ресурсов либо при наличии строгих экологических ограничений геотермальный тепловой насос становится более рациональным, экологичным и долговечным решением.

При проектировании инженерных систем специалисты обычно проводят комплексную оценку следующих факторов:

• наличие достаточных запасов подземных вод в районе строительства;

• возможность получения разрешения на использование подземных вод;

• возможность организации обратной закачки воды в водоносный горизонт;

• соответствие геологических условий требованиям для бурения скважин;

• достаточность площади земельного участка для размещения геотермального контура;

• общий бюджет проекта и расчётный срок окупаемости инвестиций.

Поэтому не существует универсально лучшего решения. Оптимальный выбор всегда определяется конкретными условиями проекта, особенностями строительной площадки, требованиями заказчика и результатами профессионального инженерного расчёта.

V. Для каких зданий лучше всего подходят водо- и геотермальные тепловые насосы? Требования разных объектов существенно различаются

Во время консультаций многие заказчики спрашивают: «Подходит ли водо- и геотермальный тепловой насос для нашего объекта?»

На самом деле такие системы предназначены не только для крупных знаковых сооружений или пятизвёздочных гостиниц. Благодаря развитию технологий оборудования и накопленному инженерному опыту сегодня они широко применяются в коммерческих зданиях, общественных объектах, промышленных предприятиях и жилых комплексах высокого класса.

При выборе системы решающим фактором является не престижность здания, а его тепловые и холодильные нагрузки, продолжительность эксплуатации, стоимость энергоресурсов, наличие доступных природных источников тепла, а также срок окупаемости инвестиций.

Ниже рассмотрим наиболее распространённые типы объектов.

1. Гостиницы — круглогодичная эксплуатация обеспечивает максимальный экономический эффект

Гостиницы относятся к зданиям с непрерывным режимом эксплуатации. Номера, рестораны, конференц-залы, фитнес-центры и другие помещения круглый год нуждаются в стабильном отоплении и кондиционировании воздуха. Кроме того, большинство гостиниц ежедневно потребляет большие объёмы горячей воды, что значительно увеличивает энергозатраты.

Традиционно гостиницы используют комбинацию чиллеров и котельного оборудования: летом чиллер обеспечивает охлаждённую воду, зимой котёл производит горячую воду для отопления, а система горячего водоснабжения обычно работает независимо. Несмотря на широкое распространение такой схемы, она требует большого количества оборудования, увеличивает площадь машинных помещений и характеризуется сравнительно невысокой общей энергоэффективностью.

При использовании водо- и геотермального теплового насоса охлаждение, отопление и горячее водоснабжение объединяются в единую систему. Например, летом тепло, которое обычно удаляется через градирню в атмосферу, может быть рекуперировано и использовано для нагрева бытовой горячей воды. Это позволяет повторно использовать тепловую энергию и значительно повысить эффективность всей системы.

Для гостиницы с двумя-тремя сотнями номеров ежедневная потребность в горячей воде чрезвычайно велика. Использование рекуперированного тепла позволяет существенно сократить энергозатраты на горячее водоснабжение, обеспечивая заметную экономию в течение всего срока эксплуатации здания.

Дополнительным преимуществом является низкий уровень шума. Отсутствие постоянно работающих крупных градирен исключает шумовое загрязнение и проблему уноса капель воды, что способствует повышению комфорта гостей и улучшению качества гостиничной среды.

2. Больницы — максимально высокие требования к надёжности и комфорту

Медицинские учреждения относятся к объектам с наиболее высокими требованиями к инженерным системам HVAC.

Приёмные отделения, палаты, операционные, отделения интенсивной терапии (ICU), лаборатории и другие функциональные зоны предъявляют различные требования к температуре, влажности, чистоте воздуха и направлению воздушных потоков. Любая неисправность системы кондиционирования может повлиять не только на комфорт, но и на безопасность медицинского процесса.

Благодаря использованию стабильного природного источника тепла водо- и геотермальные тепловые насосы практически не зависят от экстремальных погодных условий и способны круглогодично обеспечивать бесперебойную подачу холодной и горячей воды.

Как правило, в составе больничной системы также используются:

• воздухообрабатывающие установки (AHU) — для подготовки наружного воздуха, фильтрации, осушения и поддержания заданных параметров температуры и влажности;

• фанкойлы (FCU) — для индивидуального регулирования температуры в палатах, административных помещениях и других зонах;

• приточно-вытяжные установки с рекуперацией тепла — для снижения энергозатрат на обработку свежего воздуха.

Совместная работа этих систем с водо- и геотермальным тепловым насосом позволяет создать высокоэффективную, надёжную и энергосберегающую систему отопления, вентиляции и кондиционирования.

3. Учебные заведения — баланс между комфортом и эксплуатационными расходами

В последние годы всё больше новых школ и университетских кампусов оснащаются водо- и геотермальными тепловыми насосами.

Учебные корпуса, библиотеки, лаборатории, спортивные комплексы и общежития имеют различные требования к микроклимату, однако их объединяют большая площадь, длительный режим эксплуатации и высокая чувствительность к эксплуатационным расходам.

Большинство образовательных учреждений располагает значительной территорией, что облегчает размещение горизонтальных или вертикальных геотермальных теплообменников, благодаря чему геотермальные системы становятся особенно привлекательным решением.

Кроме того, нагрузка на инженерные системы существенно меняется в течение учебного года и во время каникул. Современные тепловые насосы способны автоматически регулировать производительность в зависимости от фактической нагрузки, предотвращая длительную работу оборудования на полной мощности и повышая общую энергоэффективность системы.

4. Офисные здания — комфортная рабочая среда и снижение долгосрочных эксплуатационных затрат

Современные офисные комплексы всё чаще проектируются с учётом международных стандартов экологического строительства, таких как LEED и BREEAM. Эти системы сертификации оценивают не только строительные материалы, но и эффективность инженерных систем здания.

Использование водо- и геотермальных тепловых насосов позволяет значительно снизить годовое энергопотребление здания, повысить эффективность использования энергии и облегчить получение сертификатов зелёного строительства.

В офисных зданиях обычно применяются:

• фанкойлы — для независимого регулирования температуры в отдельных офисах;

• воздухообрабатывающие установки (AHU) — для подачи и обработки наружного воздуха;

• приточно-вытяжные установки с рекуперацией тепла — для снижения нагрузки на систему вентиляции.

Для владельцев объектов, ориентированных на долгосрочную эксплуатацию недвижимости, несмотря на более высокие первоначальные инвестиции, водо- и геотермальные тепловые насосы обеспечивают существенно меньшие эксплуатационные расходы и демонстрируют высокую экономическую эффективность на протяжении всего жизненного цикла здания.

5. Промышленные предприятия — не только кондиционирование, но и поддержка технологических процессов

На многих промышленных объектах системы HVAC предназначены не только для создания комфортных условий труда, но и для обеспечения стабильных параметров производственного процесса.

К таким предприятиям относятся, например:

• заводы по производству электронной продукции;

• фармацевтические предприятия;

• предприятия пищевой промышленности;

• производства высокоточных приборов;

• научно-исследовательские лаборатории.

Эти объекты, как правило, работают непрерывно в течение всего года и предъявляют очень высокие требования к стабильности температуры и влажности воздуха.

Водо- и геотермальные тепловые насосы обеспечивают надёжный источник тепла и холода и в сочетании с центральными кондиционерными установками модульного типа (комбинированными воздухообрабатывающими агрегатами) позволяют реализовать функции поддержания постоянной температуры, контроля влажности, фильтрации и очистки воздуха в соответствии с требованиями технологического процесса.

На ряде промышленных предприятий возможно также использование рекуперации технологического тепла. Избыточная тепловая энергия, образующаяся в процессе производства, может интегрироваться с системой тепловых насосов, что дополнительно повышает общую энергоэффективность объекта и снижает эксплуатационные расходы.